Besi Kasar: Perantara Penting dalam Proses Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Besi tuang adalah bahan baku utama yang dihasilkan selama peleburan bijih besi dalam tungku tiup. Ini adalah produk antara yang mengandung kandungan karbon tinggi, bersama dengan kotoran lain seperti silikon, mangan, sulfur, dan fosfor. Tujuan dasarnya adalah untuk menjadi bahan baku dasar untuk pembuatan baja dan paduan berbasis besi lainnya.

Dalam rantai manufaktur baja, besi tuang menempati posisi penting sebagai produk awal yang berasal dari reduksi bijih besi. Ini biasanya diproduksi dalam jumlah besar dan kemudian dicetak langsung menjadi ingot atau diproses lebih lanjut dalam tungku oksigen dasar, tungku busur listrik, atau proses sekunder lainnya. Kualitas dan komposisi besi tuang secara signifikan mempengaruhi efisiensi dan kualitas tahap produksi baja berikutnya.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Produksi besi tuang terutama bergantung pada tungku tiup, reaktor metalurgi kompleks yang dirancang untuk mereduksi bijih besi menjadi besi cair. Prinsip rekayasa inti melibatkan aliran berlawanan dari bahan baku dan gas, memanfaatkan suhu tinggi dan reaksi reduksi kimia untuk mengekstrak besi logam dari oksidanya.

Komponen teknologi kunci termasuk poros tungku tiup, tuyeres, bosh, hearth, dan lubang tap. Poros adalah silinder vertikal tinggi yang dilapisi refraktori tempat bahan baku dimasukkan. Tuyeres adalah nosel yang didinginkan dengan air melalui mana udara yang dipanaskan sebelumnya (tiupan) disuntikkan, menyediakan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran dan reduksi. Zona bosh dan hearth memfasilitasi reaksi kimia dan pengumpulan logam cair.

Aliran material melibatkan pergerakan ke bawah dari bijih besi, kokas, dan fluks, sementara gas panas naik, mendorong reaksi reduksi. Kokas bertindak sebagai bahan bakar dan agen reduksi, menghasilkan karbon monoksida yang secara kimia mereduksi oksida besi menjadi besi logam.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu tiupan, tingkat pengayaan oksigen, laju kokas, komposisi beban, dan tekanan tungku. Suhu tiupan yang khas berkisar antara 1.200°C hingga 1.350°C, dengan pengayaan oksigen bervariasi antara 21% (udara ambien) dan hingga 40% dalam operasi yang lebih maju.

Rasio kokas terhadap bijih mempengaruhi efisiensi reduksi dan kandungan karbon dalam besi tuang. Komposisi beban, termasuk jenis dan ukuran bahan baku, mempengaruhi permeabilitas dan laju reaksi. Mempertahankan suhu dan tekanan optimal memastikan operasi yang stabil dan kualitas besi tuang yang konsisten.

Sistem kontrol menggunakan sensor canggih, termokopel, dan analisis gas untuk memantau suhu, komposisi gas, dan penurunan beban. Algoritma kontrol otomatis menyesuaikan parameter tiupan secara real-time untuk mengoptimalkan produktivitas dan meminimalkan emisi.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi tungku tiup yang khas memiliki tinggi 30 hingga 50 meter dan diameter 10 hingga 15 meter. Cangkang tungku dibangun dari bata refraktori berkekuatan tinggi yang mampu menahan suhu ekstrem dan serangan kimia.

Variasi desain termasuk tungku pengisian atas, sistem pengisian atas-dan-bawah, dan sistem atas tanpa lonceng modern yang meningkatkan distribusi beban. Seiring waktu, desain tungku telah berkembang untuk menggabungkan udara tiupan yang dipanaskan sebelumnya, pengayaan oksigen, dan sistem pemulihan energi untuk meningkatkan efisiensi.

Sistem tambahan termasuk tungku tiupan panas untuk memanaskan udara pembakaran, sistem injeksi batubara halus, dan unit pembersihan gas seperti pemisah elektrostatik dan scrubber untuk mengontrol emisi.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama dalam tungku tiup melibatkan reduksi oksida besi oleh karbon monoksida dan karbon. Reaksi utama termasuk:

• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• Fe₃O₄ + 3CO → 3Fe + 3CO₂
• C + O₂ → CO₂ (pembakaran kokas)
• CO₂ + C → 2CO (gasifikasi karbon)

Secara termodinamika, reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi, dengan keseimbangan bergeser menuju pembentukan besi logam dan karbon monoksida. Kinetika tergantung pada suhu, aliran gas, dan permeabilitas beban, yang menentukan laju reduksi.

Produk reaksi termasuk besi tuang cair, terak (terutama kalsium silikat dan senyawa fluks lainnya), dan gas buang yang kaya akan CO₂, nitrogen, dan gas inert lainnya.

Transformasi Metalurgi

Selama reduksi, oksida besi diubah menjadi besi cair dengan mikrostruktur yang awalnya terdiri dari besi logam dendritik yang dikelilingi oleh terak. Seiring pendinginan berlangsung, mikrostruktur mengeras menjadi matriks ferit, semenit, dan inklusi terak residu.

Transformasi fase termasuk pembentukan fase besi padat dan segregasi kotoran. Kandungan karbon dalam besi tuang biasanya berkisar antara 3,5% hingga 4,5%, mempengaruhi mikrostruktur dan sifat mekanik.

Transformasi metalurgi secara langsung mempengaruhi kekerasan, ketangguhan, dan kemampuan mesin dari besi tuang, yang pada gilirannya mempengaruhi proses pembuatan baja di hilir.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, terak, dan pelapisan refraktori sangat penting untuk stabilitas tungku. Terak bertindak sebagai lapisan pelindung, mencegah korosi refraktori dan menangkap kotoran seperti sulfur dan fosfor.

Kontaminasi dapat terjadi jika reaksi terak-logam tidak terkontrol, yang mengarah pada peningkatan tingkat kotoran dalam besi tuang. Keausan refraktori diakibatkan oleh serangan kimia dan stres termal, yang memerlukan inspeksi dan penggantian secara teratur.

Mengontrol komposisi terak, suhu, dan atmosfer tungku meminimalkan interaksi yang tidak diinginkan, memastikan produksi besi tuang berkualitas tinggi.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama termasuk bijih besi (hematit, magnetit), kokas metalurgi, dan agen fluks seperti kapur atau dolomit. Spesifikasi bijih besi biasanya memerlukan kemurnian tinggi, distribusi ukuran yang sesuai, dan tingkat kotoran yang rendah.

Persiapan melibatkan penghancuran, penyaringan, dan kadang-kadang peletisasi atau sintering untuk meningkatkan permeabilitas beban dan mengurangi pembentukan debu. Penanganan dan penyimpanan yang tepat sangat penting untuk mencegah kontaminasi dan penyerapan kelembaban.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi produktivitas tungku, pembentukan terak, dan tingkat kotoran dalam besi tuang. Bahan baku berkualitas tinggi menghasilkan operasi yang lebih stabil dan konsistensi produk yang lebih baik.

Urutan Proses

Proses dimulai dengan persiapan bahan baku, diikuti dengan pengisian beban ke dalam tungku tiup. Udara tiupan panas, yang diperkaya dengan oksigen jika diperlukan, disuntikkan melalui tuyeres untuk mempertahankan reaksi pembakaran dan reduksi.

Beban turun melalui poros, menjalani tahap reduksi berturut-turut. Besi tuang cair dan terak terkumpul di hearth dan ditap secara berkala melalui lubang tap. Siklus proses biasanya berlangsung selama beberapa jam, dengan operasi berkelanjutan untuk throughput tinggi.

Setelah pengetapan, besi tuang dicetak ke dalam cetakan atau dipindahkan ke unit pemurnian sekunder. Seluruh urutan melibatkan waktu yang tepat, kontrol suhu, dan pemantauan proses untuk mengoptimalkan output dan kualitas.

Titik Integrasi

Produksi besi tuang terintegrasi dengan operasi hulu seperti pengolahan bijih, peletisasi, dan produksi kokas. Di hilir, ini memberi makan ke dalam proses pembuatan baja seperti tungku oksigen dasar (BOF) atau tungku